2.2 Гидравлический расчет трубопроводов

Гидравлический расчет трубопроводов рекомендуется выполнять наиболее прогрессивным методом с помощью характеристик сопротивления и переменных перепадов температур на стояках. Задача гидравлического расчета заключается в обоснованном выборе экономических диаметров труб для циркуляции теплоносителя с целью обеспечения расчетной теплоотдачи нагревательных приборов.

Применение указанного метода исключает необходимость последующей монтажной регулировки системы отопления, повышает индустриализацию заготовок приборных узлов и стояков. Результаты гидравлического расчета трубопроводов и теплового расчета нагревательных приборов более достоверно отражают действительную картину работы системы отопления, так как расчетные расходы теплоносителя соответствуют фактическим.

Гидравлический расчет проводится для системы водяного отопления: однотрубной, с верхней разводкой, тупиковой, с насосной циркуляцией и унифицированными приборными узлами. Нагревательные приборы – стальные панельные радиаторы подключены по проточно-регулируемой схеме с трехходовым краном. Расчетная схема системы отопления приведена в приложении 3.

Нормативный перепад температуры воды на стояках:

2.2.1 Расчет стояка (в дальнейшем «Ст.») 1 (участок 1).

По тепловой нагрузке стояка, равной суммарной теплопотере отапливаемых от него помещений Q₁=12941 Вт. По таблице 10 приложения 9 принимаем диаметр стояка d=20 мм. Конструируем радиаторные узлы: задаемся диаметром обводного участка и подводок равными диаметру стояка, то есть d_стxd_оуxd_подв=20 мм.

По таблице 11 приложения 9 [3] имеем:

A₁ =3,19*10^-4 Па/(кг/ч)²;

(λ/d)₁ = 1,7 1/м.

Определяем эквивалентный К.М.С. ξ_экв,1, прямых участков труб (без этажестояков) стояка 1:

1,7*16,3=27,71,

где l₁ – расчетная длина участка без этажестояков;

l₁ = 16,3 м.

Выявляем местное сопротивление на стояке по таблице 12 приложение 9 [3]; определяем их К.М.С.:

– воздухосборник проточный:

• 3 отвода d=20 мм: *3 = 1,8;

• 2 крана пробочных d=20 мм: *2 = 3.

Итого: 6,3.

На горизонтальных участках стояка (на подающей и на обратной магистралях) имеется 2 тройника на проходе воды. Гидравлические характеристики тройников:

• расход воды на проход:

кг/ч,

где с = 4,19 кДж/(кг·К) – теплоемкость воды;

3,6 кДж/(Вт·ч) – коэффициент перевода единиц;

• общий расход воды:

кг/ч,

где Q₂ – тепловая нагрузка стояка 2.

Соотношение расходов:

.

По таблице 13 приложения 9 имеем:

• для тройника на подающей магистрали ξ = 0,3;

• для тройника на обратной магистрали ξ = 1,5.

Итого: 1,8.

Суммарный К.М.С. участка 1 (без этажестояков):

1,8+6,3=8,1.

Приведенный К.М.С. участка 1:

27,71+8,1=35,81.

Характеристика сопротивления участка (без этажестояков):

3,19*10^-4*35,81=114,23*10^-4 Па/(кг/ч)².

Определяем характеристику сопротивления этажестояка. Расчетный участок 1 включает в себя 9 этажестояков, приборные узлы которых имеют следующие характеристики:

1. тип нагревательного прибора – радиатор стальной панельный РСГ;

2. схема радиаторного узла – проточно-регулируемая с трехходовым краном;

3. конструкция радиаторного узла:

20 мм.

По таблице 14 приложения 9 [3] находим характеристику сопротивления стояка:

• девять этажестояков 9х42=378*10^-4 Па/(кг/ч)².

Итого: S₀=378*10^-4 Па/(кг/ч)².

Общая характеристика сопротивления участка 1:

114,23+378 =492,23*10^-4 Па/(кг/ч)².

Вычисляем расход воды на участке. Задаемся перепадом температур на стояке в пределах 30-40ºС. В результате предварительных расчетов выявлено, что наиболее приемлемый вариант обеспечивается при t₁= 38 ^ºС.

293 кг/ч.

Падение давления на стояке Ст.1 (участок 1):

492,23*10^-4*293²=4225,7 Па.

2.2.2 Расчет Ст. 2 (участок 2).

Перепад давлений на стояке известен Па. Тепловая нагрузка стояка Вт. По табл. 10 приложения 9 принимаем диаметр стояка мм. Конструируем радиаторные узлы: принимаем диаметры подводок и обводного участка равным диаметру стояка:

мм.

По табл. 14 приложения 9 находим характеристику сопротивления стояка:

- узел присоединения к подающей магистрали

- узел присоединения к обратной магистрали

- девять этажестояков

Итого:

Расход воды по стояку 2:

кг/ч.

Определяем перепад температур на стояке 2:

Полученный перепад выходит за допустимые пределы /30-40°С/. Необходимо уменьшить перепад, а, следовательно, увеличить расход воды на стояке.

Принимаем диаметр стояка и обвязки приборных узлов мм.

Характеристика сопротивления стояка 2 с увеличенным до 20 мм диаметром составляет:

- узел присоединения к горячей магистрали

- узел присоединения к обратной магистрали

- девять этажестояков :

Расход воды по стояку:

кг/ч.

Перепад температур на стояке:

Полученный перепад также выходит за допустимые пределы.

Конструируем составной стояк: 4 этажестояков и узел присоединения к подающей магистрали диаметром 20 мм, 5 этажестояка и узел присоединения к обратной магистрали диаметром 15 мм.

По табл. 14 приложения 9 находим характеристику сопротивления составного стояка:

- узел присоединения к подающей магистрали диаметром 20 мм:

- 4 этажестояков :

- 5 этажестояка :

- узел присоединения к обратной магистрали диаметром 15 мм

Итого:

Расход воды по стояку:

кг/ч.

Перепад температур на стояке

,

что вполне допустимо.

2.2.3 Расчет магистральных трубопроводов участков 3 и 3’.

Расход воды на участках известен:

кг/ч.

По табл. 9 приложения 9 принимаем диаметр магистралей мм. Расчетный расход 494 кг/ч находится внутри допустимого интервала / кг/ч и кг/ч /.

По табл. 11 приложения 9 имеем:

На участках магистралей имеется два тройника на проходе воды.

Гидравлические характеристики тройников:

- расход воды на проход кг/ч;

- общий расход воды

кг/ч.

Отношение расходов

.

По табл. 13 приложения 9 имеем:

- для тройника на подающей магистрали ;

- для тройника на обратной магистрали .

Характеристика сопротивления участка 3:

Па/(кг/ч)².

Характеристика сопротивления участка 3':

Па/(кг/ч)².

Потеря давления на участке 3:

Па.

Потеря давления на участке 3':

Па.

2.2.4 Расчет Ст.3 (участок 4).

Перепад давлений на стояке известен:

Па.

Тепловая нагрузка стояка Вт.

Принимаем диаметр стояка и обвязки приборных узлов мм.

Определяем эквивалентный К.М.С. ξ_экв,4, прямых участков труб (без этажестояков и участков, проходящих по этажам) стояка 3:

2,6*8=20,8,

где l₄ – расчетная длина участка без этажестояков;

l₄ = 8 м.

Выявляем местное сопротивление на стояке по таблице 12 приложение 9 [3]; определяем их К.М.С.:

• 3 отвода d=15 мм: *3 = 2,4.

Приведенный К.М.С. участка 4:

20,8+2,4=23,2.

Характеристика сопротивления участка (без этажестояков):

10,6*10^-4*23,2=245,9*10^-4 Па/(кг/ч)².

По табл. 14 приложения 9 находим характеристику сопротивления стояка:

- узел присоединения к горячей магистрали

- узел присоединения к обратной магистрали

- три этажестояка

- 16,8 м прямой трубы

Итого:

Общая характеристика сопротивления участка 4:

245,9+970,5 =1216,4*10^-4 Па/(кг/ч)².

Расход воды по стояку:

кг/ч.

Перепад температур на стояке:

.

Температурный перепад входит в допустимые пределы, но увеличить его нельзя, так как взятый диаметр является минимальным, поэтому на этом расчет участка 4 закончен.

2.2.5 Расчет магистральных трубопроводов участков 5 и 5’.

Расход воды на участках:

494+196=690 кг/ч.

По таблице 9 приложения 9 [3] принимаем диаметр магистралей d₅ = d₅^/ =25 мм.

По таблице 11 приложения 9 [3]:

На участках магистралей имеется два тройника на проходе воды. Гидравлические характеристики тройников:

• расход воды на проходе 690 кг/ч.

• общий расход воды 877 кг/ч.

Отношение расходов

0,79.

По таблице 13 приложения 9 [3] имеем:

• для тройника на подающей магистрали 0,3;

• для тройника на обратной магистрали 1,2.

Характеристика сопротивления участка 5:

1,23*10^-4*(1,25*3+0,3)=4,98*10^-4 Па/(кг/ч)².

Характеристика сопротивления участка 5^/:

1,23*10^-4*(1,25*3+1,2)=6,09*10^-4 Па/(кг/ч)².

Потеря давления на участке 5:

237,1 Па.

Потеря давления на участке 5^/:

289,9 Па.

2.2.6 Расчет Ст. 4 (участок 6).

Перепад давлений на стояке известен:

237,1+289,9+4686,7=5213,7 Па.

Тепловая нагрузка стояка Q₆ = 7722 Вт.

Принимаем диаметр стояка и обвязки приборных узлов 15 мм.

По таблице 14 приложения 9 [3] находим характеристику сопротивления стояка:

• узел присоединения к подающей магистрали 91,2*10^-4 Па/(кг/ч)²;

• узел присоединения к обратной магистрали 85,6*10^-4 Па/(кг/ч)²;

• девять этажестояков 9х155=1395*10^-4 Па/(кг/ч)².

Итого: S₆=1571,8*10^-4 Па/(кг/ч)².

Расход воды по стояку:

182 кг/ч.

Перепад температур на стояке:

ºС.

Полученный перепад укладывается в допустимые пределы / /.

2.2.7 Расчет магистральных участков 7 и 7’.

Расход воды на участках известен:

182+690=872 кг/ч.

По таблице 9 приложения 9 принимаем диаметр магистралей d₇ = d₇^/ = 25. Расчетный расход 872 кг/ч находится внутри допустимого интервала (G_max =1600 и G_min =500).

По таблице 11 приложения 9 имеем:

На участках магистралей имеется два тройника на проходе воды. Гидравлические характеристики тройников:

• расход воды на проходе 872 кг/ч;

• общий расход воды 1074 кг/ч.

Отношение расходов:

0,81.

По таблице 13 приложения 9 имеем:

• для тройника на подающей магистрали 0,2;

• для тройника на обратной магистрали 0,7.

Характеристика сопротивления участка 7:

0,39*10^-4(0,9*5+0,2)=1,83*10^-4 Па/(кг/ч)².

Характеристика сопротивления участка 7^/:

0,39*10^-4(0,9*5+0,7)=2,03*10^-4 Па/(кг/ч)².

Потеря давления на участке 7:

139,2 Па.

Потеря давления на участке 7^/:

154,4 Па.

2.2.8 Расчет Ст. 5 (участок 8).

Перепад давлений на стояке известен:

139,2+154,4+5213,7=5507,3 Па.

Тепловая нагрузка стояка Q₈ = 8034 Вт.

Принимаем диаметр стояка и обвязки приборных узлов 15 мм.

По таблице 14 приложения 9 находим характеристику сопротивления стояка:

• узел присоединения к подающей магистрали 91,2*10^-4 Па/(кг/ч)²;

• узел присоединения к обратной магистрали 85,6*10^-4 Па/(кг/ч)²;

• девять этажестояков 9х155=1395*10^-4 Па/(кг/ч)².

Итого: S₈=1571,8*10^-4 Па/(кг/ч)².

Расход воды по стояку:

187 кг/ч.

Перепад температур на стояке:

.

Полученный перепад укладывается в допустимые пределы / /.

2.2.9 Расчет магистральных трубопроводов участков 9 и 9’.

Расход воды на участках известен:

187+872=1059 кг/ч.

По таблице 9 приложения 9 принимаем диаметр магистралей d₉ = d₉^/ = 32. Расчетный расход 1059 кг/ч находится внутри допустимого интервала (G_max =3500 и G_min=875).

По таблице 11 приложения 9 [3] имеем:

На участках магистралей имеется два тройника на ответвлении потока воды и два вентиля. Гидравлические характеристики тройников:

• расход воды на ответвлении 1059 кг/ч;

• общий расход воды 2149 кг/ч,

где Q_прав – тепловая нагрузка правой ветки системы.

Отношение расходов:

0,49.

По таблице 13 приложения 9 [3] имеем:

• для тройника на подающей магистрали ξ = 5,0;

• для тройника на обратной магистрали ξ =1,5.

По таблице 12 приложения 9 К.М.С. вентиля с диаметром условного прохода 32 мм ξ = 9.

Суммарный К.М.С. участка 11 ξ =14.

Суммарный К.М.С. участка 11^/ ξ =10,5.

Характеристика сопротивления участка 9:

0,39*10^-4*(0,9*0,4+14)=5,6*10^-4 Па/(кг/ч)².

Характеристика сопротивления участка 11^/:

0,39*10^-4*(0,9*1,5+10,5)=4,62*10^-4 Па/(кг/ч)².

Потеря давления на участке 9:

5,6*10^-4*1059²=628 Па.

Потеря давления на участке 11^/:

4,62*10^-4*1059²=518,1 Па.

2.2.12 Общие потери давления на магистральных трубопроводах участков 9 и 9’.

Общие потери давления на магистральных участках P₉ + P₉^/ =1146,1 Па, что составляет 21% от потерь давления на стояке Ст. 5. В целях повышения гидравлической устойчивости систем водяного отопления СНиП 2.04.05–86 рекомендует суммарные потери давления на магистральных трубопроводах принимать не более 20-25% от общих потерь давления в стояке (не считая потерь давления на головных участках системы) [2].

Суммарные потери в расчетной левой ветке:

P_лев= P₉ + P₉^/+ P₈ =628+518,1+5507,3=6653,4 Па.

2.2.13 Расчет магистральных трубопроводов участков 10 и 10’.

Расход воды на участках 10 (10^/):

=2133 кг/ч.

По таблице 9 приложения 9 принимаем диаметр магистралей d₁₂ = d₁₂^/ = 50. Расчетный расход 2133 кг/ч находится внутри допустимого интервала (G_max =11700 и G_min =1950).

По таблице 11 приложения 9 [3] имеем:

На участках магистралей имеется два тройника на ответвлении потока воды. Гидравлические характеристики тройников:

- расход воды на ответвлении 2133 кг/ч;

- общий расход воды кг/ч.

Отношение расходов:

0,55.

По таблице 13 приложения 9 [3] имеем:

• для тройника на подающей магистрали ξ₁₀ = 5,0;

• для тройника на обратной магистрали ξ_10/ =1,5.

Характеристика сопротивления участка 10:

0,08*10^-4*(0,52*2,8+5)=0,52*10^-4 Па/(кг/ч)².

Характеристика сопротивления участка 10^/:

0,08*10^-4*(0,52*4,3+1,5)=0,3*10^-4 Па/(кг/ч)².

Потеря давления на участке 10:

0,52*10^-4*2133²=236,6 Па.

Потеря давления на участке 12^/:

0,3*10^-4*2133²=136,5 Па.

2.2.14 Расчет магистральных трубопроводов участков 11 и 11’.

Расход воды на участках 11 (11^/):

=3892 кг/ч.

По таблице 9 приложения 9 [3] принимаем диаметр магистралей d₁₃ = d₁₃^/ = 50. Расчетный расход 3892 кг/ч находится внутри допустимого интервала (G_max =11700 и G_min =1950).

По таблице 11 приложения 9 имеем:

Местные сопротивления на участках:

участок 11: 5 отводов d=50мм: ξ₁₁=5х0,3=1,5;

1 задвижка d=50мм: ξ₁₁=0,5;

итого: ξ₁₁=2;

Участок 11^/: 3 отвода d=50мм: ξ_11/=3х0,3=0,9;

1 задвижка d=50мм: ξ_11/=0,5;

итого: ξ_11/=1,4.

Характеристика сопротивления участка 11:

0,08*10^-4*(0,52*47,3+2)=2,13*10^-4 Па/(кг/ч)².

Характеристика сопротивления участка 11^/:

0,08*10^-4*(0,52*6,2+1,4)=0,37*10^-4 Па/(кг/ч)².

Потеря давления на участке 11:

2,13*10^-4*3892²=3226,5 Па.

Потеря давления на участке 11^/:

0,37*10^-4*3892²=560,5 Па.

2.2.15 Результаты гидравлического расчета системы.

Результаты гидравлического расчета системы приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Сводная таблица результатов гидравлического расчета однотрубной системы водяного отопления

Номер участка	Тепловая нагрузка Q,Вт	Длина уч-ка l,м	Расход те плоносит. G,кг/ч	Диаметр уч-ка D,мм	Характе-ристика сопротив-ления участка Sх104,	Перепад темпе-ратур на стояке °C	Потеря давления на участке P, Па
1	2	3	4	5	6	7	8
1(ст. 1)	12941	41,5	293	20	492,23	38,0	4225,7
2(ст. 2)	7889	32,2	201	15, 20	1050,3	33,7	4225,7
3	20830	1,3	494	20	8,01	-	195,5
3'	20830	1,3	494	20	10,88	-	265,5
4(ст. 3)	7177	33,2	196	15	1216,4	31,5	4686,7
5	28007	3	690	25	4,98	-	237,1
5'	28007	3	690	25	6,09	-	289,9
6(ст. 4)	7722	32,2	182	15	1571,8	36,5	5213,7
7	35729	5	872	25	1,83	-	139,2
7'	35729	5	872	25	2,03	-	154,4
8(ст. 5)	8034	32,2	187	15	1571,8	36,9	5507,3
9	43763	0,4	1059	32	5,6	-	628
9'	43763	1,5	1059	32	4,62	-	518,1
10	87526	2,8	2133	50	0,52	-	236,6
10'	87526	4,3	2133	50	0,3	-	136,5
11	159174	47,3	3892	50	2,13	-	3226,5
11'	159174	6,2	3892	50	0,37	-	560,5

2.2.16 Общие потери давления в системе и обеспечение гидравлической устойчивости.

Общие потери давления в системе отопления:

P_сист=P₁₁+P_11/+P₁₀+P_10/+P₉+P_9/+P₈=3226,5+560,5+236,6+136,5+628+518,1+

+5507,3=10813,5 Па,

в том числе без головных участков 11 и 11^/:

P_сист-P₁₁-P_11/=10813,5-3226,5-560,5=7026,5 Па.

В целях обеспечения гидравлической устойчивости системы отопления доля потерь давления в стояках должна составлять не менее 70% от общих потерь давления в системе (без головных участков). В данном случае имеем:

-доля стояка 5 (участок 8):

78,4% ;

-доля стояка 4 (участок 6):

74,2% ;

-доля стояка 3 (участок 4):

66,7% ;

-доля стояков 1 и 2 (участки 1 и 2):

60,1%.

2.2.17 Подбор водоструйного элеватора.

В результате гидравлического расчета получены следующие основные характеристики:

- расчетный расход воды в системе отопления =3892 кг/ч;

- расчетные потери давления в системе отопления P_сист =10813,5 Па.

Указанные параметры являются исходными для подбора водоструйного элеватора для системы отопления, которая подключается к городским тепловым сетям.

Для определения требуемого давления, развиваемого элеватором, необходимо из расчетных потерь давления в системе отопления вычесть естественное циркуляционное давление, то есть:

P_н=P_сист-P_ест

Циркуляционное давление в однотрубных системах с верхней разводкой можно определить по приближенной формуле:

, (2.1)

где g – ускорение силы тяжести, м/с²;

h_эс – высота этажестояка, м;

n – количество этажей в здании;

– плотность воды в горячей и обратной магистралях системы отопления, кг/м³;

В нашем случае имеем:

=2806 Па.

P_н=P_сист-P_ест=10813,5-2806=8007,5 Па.

С учетом этого результаты гидравлического расчета будут иметь вид:

= 3892 кг/ч = 3,89 т/ч;

P_н = 8007,5 Па = 0,8·10¹ кПа.